来源：Valve World（2022-05-23 发布），作者 Dr.-Ing. Jan Schumacher（TÜV 莱茵）、Dr. Jörg Isenberg（AUMA Riester）。本文为中文编译版，原文链接：https://valve-world.net/is-the-mode-of-operation-a-meaningful-measure-for-mechanical-components-in-safety-related-systems/。题图为原文配图（图源：Valve World）。
防洪闸坝——文中"高请求模式+低使用率"情形的典型应用（图源：Valve World）
《安全相关自动化工业阀门的功能安全》标准制定工作已在 CEN（欧洲标准化委员会）层面启动，制造商、终端用户和认证机构均有参与。该项目旨在建立一项欧洲标准，为制造商评估其安全相关产品提供明确指导；最终形成的标准还将以统一的方式定义测试准则，让供应链上的所有参与者受益。
系统集成商和工厂运营方将从可比的评估结果中获益。由此产生的新标准对测试和认证机构同样有价值——它将以统一的方式定义测试准则，减少各方的自行解释。功能安全涉及的组件和系统，常常包括在危险发生时切断介质流动、释放压力或停止运动的紧急停车系统。考察对象始终是所谓的"安全回路"，最简单的情况下由传感器、逻辑单元和最终执行元件组成。近年来，阀门行业在这一领域的能力日益成熟，业界已普遍接受：此类安全回路中使用的所有组件——包括阀门和执行机构——都必须按照功能安全的基础国际标准 IEC 61508 的规则进行评估。
挑战在于：如何把 IEC 61508 的各项特性和安全相关参数，转化到机械与机械工程的语义中去。本文以"请求模式"（demand mode）为例来演示这一转化。IEC 61508 区分两种运行模式："低请求模式"和"高请求模式"，规范界限是每年 1 次请求。乍一听很简单，但问题马上就来了：如果恰好是每年 1 次（nop = 1/年）该算哪种模式？（细读 IEC 61508-4 第 3.5.16 条可知，这仍算低请求模式。）来自测试或正常工艺操作的动作用，算不算在总数里？答案是"不算"——但这个明确的答案又引出更多问题：
要回答这些问题，首先要知道失效的起因是什么。每年请求极少时，阀门或执行机构大概率因老化而失效：金属件腐蚀、塑料件降解。请求率高时，磨损则成为主导失效原因。组件并不关心一次动作是来自安全仪表功能、测试，还是基本过程控制操作——因此，即使在低请求模式下，阀门或执行机构也可能因动作过于频繁而失效。过去，有些阀门就是被频繁的部分行程测试"测死的"；同样，被归为高请求模式的阀门或执行机构，如果一年只动作两次，也可能因老化效应而失效。
为解决这些问题，我们建议在评估功能安全应用的机械组件时，引入一个名为"使用率"（utilization rate）的参数。与请求模式不同，使用率考虑的不只是安全仪表功能的请求次数，而是机械组件每年的全部动作次数——其中包括：安全仪表功能发出的请求、安全仪表功能的测试，以及兼用于安全功能与基本过程控制的组件因 BPCS 请求而产生的动作。
因此，使用率能更好地衡量一个机械组件主要以磨损失效还是以老化失效为主，并据此定义相应的处理方式（避免系统性失效）。例如以老化为主时，行程是全行程还是部分行程就是次要问题。与请求模式一样，使用率也分高、低两档：组件失效原因以磨损为主、老化居次的，为高使用率；反之失效以老化为主、磨损居次的，为低使用率。通常可以认为：组件每年动作少于一次时，老化占主导，适用低使用率；每天动作多于一次时，老化影响甚微，应归为高使用率；中间区间则须结合具体组件和应用来评估。
使用率概念并非要取代 IEC 61508 的请求模式，而是对机械组件做一个有意义的补充。由此形成四种情形（见表 1）：
| 表 1 请求模式 × 使用率的四种情形 | ||
|---|---|---|
| 情形 | 典型例子 | 应遵循的规则 |
| 高请求模式 + 高使用率 | 工厂自动化应用（如机器人）——组件几乎纯粹因磨损失效，须相应设计 | IEC 61508 高请求模式规则 |
| 高请求模式 + 低使用率 | 防洪用可动钢结构——每年触发保护功能 2~5 次，属高请求模式；但该模式部分要求值得商榷甚至可能有损安全（见下文） | 建议机械组件按低请求模式的诊断要求执行 |
| 低请求模式 + 高使用率 | 流程工业中兼有安全功能与基本过程控制功能的组件——失效以磨损为主 | IEC 61508 低请求模式规则 |
| 低请求模式 + 低使用率 | 流程工业中专用于安全仪表功能的组件——失效以老化为主，设计时须相应考虑 | IEC 61508 低请求模式规则 |
关于"高请求模式+低使用率"情形还要展开：IEC 61508 规定高请求模式下，在线诊断的频次至少要达到安全功能请求率的 100 倍。在防洪结构的例子里，这意味着每年 200~500 次诊断；而机械组件往往只能通过（部分）阀门行程测试来诊断，这就相当于每天要做一次测试。对于大转矩应用，相关标准（如电动执行机构的 ISO 22153、齿轮箱的 ISO 22109）规定的有效寿命只有 2500 或 1000 次动作——很快就能看出，IEC 61508 的要求会等于把执行机构或齿轮箱"测到死"；安全性不但不会提升，反而会因磨损被系统性地降低。因此我们建议：对于低使用率的机械组件，其诊断一般应适用 IEC 61508 低请求模式的要求。
IEC 61508 定义的请求模式只从安全仪表功能的角度考虑请求率，这对机械组件是不够的——对它们而言，每年总动作次数往往才是正确设计和评估的关键。因此我们提出"使用率"作为机械组件的另一项评估准则：它统计组件的全部动作，不区分动作原因和来源，是功能安全系统性能力设计中正确选用机械组件的重要衡量指标。使用率是对 IEC 61508 的补充，有助于安全系统的安全设计，避免在某些情况下把机械组件"测到死"。
Jan Schumacher 博士（Dr.-Ing.），TÜV 莱茵工业服务 GmbH 阀门与执行机构功能安全产品经理；Jörg Isenberg 博士，AUMA Riester GmbH & Co. KG 功能安全专家。
